Výsledok predstavuje zásadný krok smerom k využitiu týchto molekúl na základný fyzikálny výskum a aj za jeho hranicami.
Medzinárodnému tímu experimentátorov a teoretikov, ktorí pracujú v CERN-e v jadrovo-fyzikálnom zariadení ISOLDE sa podarilo uskutočniť vôbec prvé merania krátkožijúcej rádioaktívnej molekuly, monofluoridu rádia, metódou laserovej spektroskopie. Pre fyzikov, ktorí študujú molekuly, je laserová spektroskopia, ktorá využíva laserové žiarenie, aby odhalila energetickú štruktúru týchto molekúl, základným nástrojom. Až doteraz však vedci neboli schopní túto techniku použiť na štúdium rádioaktívnych molekúl s krátkou dobou života, ktoré obsahujú jedno alebo viac nestabilných jadier. V porovnaní s atómami takéto molekuly ponúkajú vynikajúci prostriedok na skúmanie základných symetrií prírody a na hľadanie nových fyzikálnych javov. Výsledky publikované dnes v časopise Nature predstavujú zásadný krok smerom k využitiu týchto molekúl na základný fyzikálny výskum a tiež za jeho hranicami.
Naše merania ukazujú, že molekuly monofluoridu rádia môžu byť ochladené na teploty, ktoré by vedcom umožnili ich podrobne skúmať, hovorí hlavný riešiteľ Ronald Garcia Ruiz. Naše výsledky pripravujú cestu k vysoko presným štúdiám rádioaktívnych molekúl s krátkou dobou života, ktoré sa núkajú ako nové a jedinečné laboratórium pre výskum v základnej fyzike a ďalších odboroch.
Molekuly monofluoridu rádia sú zvlášť zaujímavé tým, že obsahujú rádium, ktorého niektoré izotopy majú jadrá v tvare hrušky, s väčšou hmotnosťou na jednom konci ako na druhom. Tieto exotické hruškové tvary zosilňujú procesy, ktoré narúšajú základné symetrie prírody a môžu odhaliť nové fyzikálne javy za hranicou štandardného modelu.
Napríklad procesy, ktoré narušujú symetriu voči obráteniu času (čo znamená, že sa líšia, ak obrátime tok času) by časticiam dali elektrický dipólový moment. Tento si môžeme predstaviť ako posun oblaku virtuálnych častíc, ktoré obklopujú každú elementárnu časticu, od hmotného stredu. Štandardný model predpovedá nenulový, ale veľmi malý elektrický dipólový moment, ale teórie za štandardným modelom často predpovedajú väčšie hodnoty. Hruškové tvary jadier by zosilnili predpokladaný elektrický dipólový moment a preto by poskytovali citlivé prostriedky na testovanie nových javov nad rámec štandardného modelu, ktoré by boli komplementárne s hľadaním novej fyziky na urýchľovačoch častíc s vysokými energiami, ako je napríklad Veľký hadrónový urýchľovač.
Súčasný experiment vychádza z teoretických výskumov energetickej štruktúry monofluoridu rádia. Na základe týchto výskumov sa predpovedalo, že molekula je vhodná na chladenie laserom, ktoré sa používa na ochladzovanie atómov alebo molekúl na vysoko presné štúdie. Táto laserová spektroskopická štúdia monofluoridu rádia na ISOLDE poskytuje presvedčivé dôkazy o tom, že molekuly sa skutočne dajú chladiť laserom, povedala hovorkyňa ISOLDE Gerda Neyens.
Garcia Ruiz a jeho kolegovia použili nasledujúcu metódu na získanie svojich výsledkov. Najskôr získali izotopy rádioaktívneho rádia vypálením protónov z urýchľovača Proton Synchrotron Booster v CERNe na terč z karbidu uránu a vzápätí vytvorili ióny monofluoridu rádia obklopením terča plynným fluoridom uhličitým. Ióny monofluoridu rádia sa potom poslali cez zostavu ISOLDE Collinear Resonance Ionization Spectroscopy (CRIS), kde sa ióny zmenili na neutrálne molekuly, ktoré sa následne vystavili laserovému zväzku, ktorý ich vybudil do excitovaných energetických stavov pri špecifických laserových frekvenciách. Časť týchto excitovaných molekúl sa potom ionizovala druhým laserovým zväzkom a odklonila sa do detektora častíc na analýzu.
Analýzou nameraných spektier ionizovaných excitovaných molekúl bol tím schopný identifikovať nízko položené energetické hladiny molekúl a niektoré z vlastností, ktoré ukazujú, že tieto molekuly môžu byť chladené laserom pre budúce presné štúdie.
Naša technika umožnila štúdium molekúl monofluoridu rádia, ktoré majú životnosť len niekoľko dní a produkujú sa rýchlosťou nižšou ako jeden milión molekúl za sekundu, povedal Garcia Ruiz.
Okrem ich potenciálu pre skúmanie základných symetrií môžu byť molekuly z krátkožijúcich izotopov bohato zastúpené vo vesmíre, napríklad v zvyškoch supernov alebo v plyne emitovanom z fúzií neutrónových hviezd.
Predpokladáme, že tento prístup sa dá využiť aj na vykonávanie laserovej spektroskopie na iných molekulách vrátane molekúl zložených z izotopov s dobou života niekoľko desiatok milisekúnd, dodáva Garcia Ruiz. Toto umožní budúce štúdie molekúl špeciálne navrhnutých na zosilnenie vlastností, ktoré narúšajú symetriu.
Na iných experimentoch na ISOLDE pracuje skupina z Fyzikálneho ústavu SAV v Bratislave pod vedením Martina Venharta.
Ivan Melo
European Particle Physics Communication Network